T i e T e e s s ä Ta pa h T u u 3 / 2 0 1 2 39 Ilmastonmuutoskeskustelun yhteydessä on
esitetty malliskenaarioita puuston ja metsä- kasvillisuuden nopeasta, seuraavien kym- menien vuosien aikaskaalassa tapahtuvasta, etenemisestä nykyisille tunturi- ja tundrakas- villisuuden peittämille puuttomille alueille.
Tällainen mahdollinen suuren mittakaavan muutos on monessa mielessä mielenkiintoi- nen prosessi, sillä mm. hiilen- ja ravinteiden- kiertomekanismit eroavat huomattavas- ti metsien ja tundran ekosysteemien välillä.
Lisäksi näiden ekosysteemien säteilytaseet ovat huomattavan erilaiset, eli pinta-ala muu- tokset tulevat myös vaikuttamaan erilaisiin ilmastoon vaikuttaviin takaisinkytkentäme- kanismeihin tulevaisuudessa.
Mikäli ilmasto lämpenee ennusteiden mukai- sesti, niin teoreettisesti, pelkästään säätekijöiden puitteissa metsäpinta-alan nopea laajeneminen olisikin mahdollista. Paleoekologiset metsäraja- tutkimukset kuitenkin osoittavat, että jääkauden jälkeen esimerkiksi Pohjois-Venäjällä viive läm- pötilanousun ja boreaalisen metsän muodostu- misen välillä oli huomattavan pitkä, jopa tuhansia vuosia. Todennäköisesti tämä viive johtui useista erilaisista, joskin samanaikaisesti vaikuttaneista, tekijöistä, liittyen pienten metsäpopulaatioiden kasvudynamiikkaan ja muutoksiin fysikaalisessa ympäristössä. Viimeaikaiset kasvillisuushavain- not metsänrajaseuduilta kertovat ennen kaikkea varpu- ja pensaskasvillisuuden lisääntymisestä.
Sen sijaan varsinaisten metsänrajojen etenemi- sestä tundralle ei juuri ole havaintoja. Kun met- sänrajan etenemistä ja vastetta lämpenemiseen mallinnetaan, malleihin tulisi integroida kaikki oleellisesti vasteeseen viivettä aiheuttavat teki- jät. Yksinkertaiset, vain lämpötilanmuutokseen perustuvat mallit, todennäköisesti antavat liian
optimistisen kuvan pohjoisten metsien leviämis- kyvystä lämpenevässä ilmastossa.
Viimeisen jääkauden jälkeen, eli aikana, jota kutsutaan holoseeniksi ja joka alkoi noin 11 500 vuotta sitten, ilman lämpötila on vaihdellut useita asteita. Holoseeni aikaa luonnehtii lämmin alku- ja keskivaihe ja voimakas viileneminen, joka alkoi noin 5 000 vuotta sitten. Tätä suurisuun- taista ilmastomuutosta ovat ohjanneet astrono- miset tekijät eli vaihtelut maapallon ja auringon etäisyydessä ja asemassa toisiinsa nähden. Holo- seenin aikana on ollut pitkiä, tuhansia vuosia kestäviä ajanjaksoja, jolloin lämpötilan arvellaan pohjoisilla leveyspiireillä olleen vähintään 2–3 astetta nykyistä lämpimämpää (Seppä ym. 2009;
Salonen ym. 2011). Ilmastossa tapahtuneet muu- tokset ovat heijastuneet erilaisiin ekosysteemei- hin, ja esimerkiksi pohjoiset metsät ovat selke- ästi reagoineet menneisiin ilmasto-olosuhteisiin (MacDonald ym. 2000; Giesecke ym. 2008). Tut- kimusten perusteella tiedetään, että lämpimäm- pien ilmastovaiheiden aikana sellaiset puulajit kuin tammi, saarni ja lehmus kasvoivat Suomes- sakin paljon pohjoisempana kuin tänä päivänä.
Ilmaston viiletessä nämä lauhkean ilmaston lajit eivät enää menestyneet ja niiden esiintymisalu- eet kutistuivat käsittämään ainoastaan eteläi- simmän Suomen. Tällaiset ilmastossa ja kasvil- lisuudessa tapahtuneet muutokset antavat hyvän mahdollisuuden ja lähtökohdan arvioida, miten eri ekosysteemit voisivat tulevaisuudessa regoida lämpenevään ilmastoon.
Paleoekologisia tuloksia
Viimeaikaiset Helsingin yliopiston Ympäristötie- teen sekä Geotieteiden ja maantieteen laitosten tutkijoiden tekemät tutkimukset ovat antaneet arvokasta uutta tietoa esimerkiksi siitä, miten tietyt puulajit ovat menneisyydessä reagoineet
Jääkauden jälkeen metsärajat reagoivat hitaasti lämpenevään ilmastoon – entä tulevaisuudessa?
Minna Väliranta ja Tarmo Virtanen
40 T i e T e e s s ä Ta pa h T u u 3 / 2 0 1 2
ilmastossa tapahtuneisiin muutoksiin (Kultti ym. 2003, 2004; Väliranta ym. 2006). Tutkimus- tulokset ovat auttaneet ymmärtämään, miten eri puulajit ovat selvinneet kylmistä ilmastovaiheis- ta sekä miten ja kuinka nopeasti eri lajit pystyi- vät hyödyntämään ilmasto-olosuhteissa tapahtu- vat muutokset. Erityisesti uutta tietoa on viime aikoina kertynyt Pohjois-Venäjältä, Petsora-joen valuma-alueelta Komista ja Nenetsiasta, jossa suomalaiset tutkijat ovat työskennelleet yhdes- sä kansainvälisen tutkijajoukon kanssa. Alueen tekee mielenkiintoiseksi se, että toisin kuin Fen- noskandia, Venäjän pohjoiset osat eivät olleet jää- kauden loppuvaiheessa jään peittämämiä. Vii- meksi tämä alue oli jään peittämä noin 90 000 vuotta sitten. Tällaiset olosuhteet ovat tarjonneet esimerkiksi puille toisenlaiset leviämismahdol- lisuudet. Periaatteessa metsien kehittyminen on päässyt käyntiin heti, kun ilmasto alkoi jääkauden jälkeen lämmetä. Fennoskandiassa jään reunan fyysiseen vetäytymiseen kulunut aika (tuhansia vuosia) ja jääkuoren väistymistä seuranneet eri- laiset Itämeren vaiheet, jotka laajalti peittivät pal- jastuneet maa-alueet tuhansien vuosien ajaksi, hidastivat metsäkasvillisuuden leviämistä, vaikka ilmasto-olosuhteet olivatkin jo suotuisat.
Pohjoisella pallonpuoliskolla pohjoisen metsä- rajan muodostaa yleensä joku havupuulaji. Fenno- skandiassa tärkein havupuu on mänty, joka myös kasvaa pohjoisempana kuin toinen havupuula- jimme kuusi. Muista alueista poiketen varsinai- sen metsärajan Fennoskandiassa kuitenkin muo- dostaa koivu. Jo Kuolan niemimaalla kuusi kasvaa mäntyä pohjoisempana, ja Komissa metsänra- jan muodostaa kuusi. Paleoekologiset tutkimuk- set osoittavat, että menneisyydessä kuusi on ollut sitkeä laji, joka on sinnitellyt Venäjän tasangoilla läpi viileiden aikojen, jolloin Pohjois-Eurooppa oli paksun mannerjään peitossa. Kuusipopulaati- oiden selviämisen viileiden jääkauden loppuaiko- jen läpi on luultavasti mahdollistanut kuusen kyky lisääntyä myös kasvullisesti, toisin sanoen, ilman siementuotantoa. Tällaisia kloonipopulaatioita esiintyy näinäkin päivinä varsinaisen metsärajan pohjoispuolella keskellä tundraa. Ne periytyvät menneistä lämpimämmistä holoseenin ilmasto- vaiheista. Tällaiset populaatiot sijaitsevat usein
mikroilmastollisesti suotuisissa maastonkohdissa, joissa ne säästöliekillä sinnitellen odottavat suo- tuisampia aikoja, jolloin lisääntyminen siemen- ten kautta jälleen mahdollistaa populaation voi- makkaamman kasvun ja leviämisen. Kun ilmasto alkoi lämmetä noin 11 500 vuotta sitten, tällaiset opportunistipopulaatiot todennäköisesti toimi- vatkin metsien ensimmäisinä leviämisytiminä. Eli metsien leviäminen aiemmin puuttomille alueil- le tapahtui ennen kaikkea olemassa olevien eris- tyneiden pienpopulaatioiden elinvoimaisuuden parantumisena ja populaation koon kasvun kaut- ta, eikä kokonaisen metsävyöhykkeen pohjoisra- jan rintamamaisena leviämisenä (Väliranta ym.
2011). Nykyäänkin metsänraja tasaisella tasanko- alueella on yli 100 km pitkä etelä–pohjoissuun- tainen vaihettumavyöhyke, jossa metsä- ja tund- rakasvillisuus vaihtelee laikuttaisesti maisemassa (Virtanen ym. 2004).
Holoseenin lämmin ilmastovaihe kesti useita tuhansia vuosia ja sen aikana metsät vähitellen levisivät pohjoiseen aina Barentsin meren rantaan asti. Pienten kuusipopulaatioiden muuttuminen koko pohjoisen Komi–Nenets-alueen peittäväksi havumetsäksi ei kuitenkaan ollut nopea tapahtu- ma. Kasvillisuustutkimukset osoittavat, että vai- he, jonka kuluessa yksittäiset puuryhmät kasvoi- vat ja tihentyvät metsäksi, eteni hitaasti kestäen tuhansia vuosia (Väliranta ym. 2011), mikä viit- taisi siihen, että metsärajan havupuupopulaatiot eivät pysty kovin ripeästi reagoimaan nopeasti nouseviin ilman lämpötiloihin. Tämä johtuu sii- tä, että populaatioiden kasvua ja elinvoimaisuut- ta määrittävät ja hillitsevät ilmastollisten teki- jöiden lisäksi erilaiset populaatiodynamiikan lainalaisuudet (alkupopulaation koko, ikäraken- ne, siemententuottokyky, leviämisnopeus, kilpai- lu) yhdistettynä erilaisiin fysikaalis-kemiallisiin (esim. maaperän laatu) ja häiriötekijöihin (palot, kasvinsyöjähyönteiset, kasvinsyöjänisäkkäät).
Muutokset metsärajoissa
Paleoekologiset tutkimustulokset ja tulkinta saavat tukea viimeaikaisista modernia metsä- rajaa tutkivista selvityksistä. Niiden perusteel- la useimmissa pohjoisissa metsärajoissa ei juuri ole tapahtunut alueellisia muutoksia viimeisten
T i e T e e s s ä Ta pa h T u u 3 / 2 0 1 2 41 kymmenien vuosien aikana, jolloin lämpöti-
lat ovat nousseet. Eniten muutoksia on havaittu Pohjois-Amerikassa, erityisesti Alaskassa ja itäi- simmässä Kanadassa. Skandinaviassa on havain- toja nimenomaan metsärajametsien tihentymi- sestä, mutta ei niinkään metsien leviämisestä aiemmin puuttomille alueille. Pensas- ja var- pukasvillisuuden tihentyminen, toisin sanoen pusikoituminen, sen sijaan on monin paikoin lisääntynyt (Tape ym. 2006). Euroopan puolei- sen Venäjän tundralla ei ole merkkejä metsän- rajan leviämisestä pohjoiseen, vaikka alueella on havaittu lämpenemistä. Myöskään metsärajalla sijaitsevien puupopulaatioiden ikärakenteessa ei ole havaittu muutosta – nuorien puiden runsas määrä kertoisi virinneestä lisääntymiskyvystä (CARBO-North hanke, julkaisematon aineisto).
Jos ilmasto lämpenee ennusteiden mukaises- ti, niin alue, jolla ilmasto sallisi metsän kasvun, kasvaa nopeasti (Virtanen ym. 2004; Kultti ym.
2006). Menneitten aikojen metsädynamiikasta ei kuitenkin tule suoraan vetää johtopäätöksiä tulevaisuuden suhteen, sillä jääkauden jälkeen maaperä oli neitseellisessä tilassa eli ravintei- ta ja ekologisia lokeroita oli runsaasti saatavilla.
Sittemmin luonnolliset geologiset prosessit ovat huuhtoneet maaperästä ravinteita vesistöihin ja ekologiset lokerot ovat täyttyneet. Esimerkik- si soiden laajuuskasvu, joka kiihtyi noin 5 000 vuotta sitten, viileän ilmastovaiheen alkaessa, on peittänyt alleen potentiaalisia kasvupaikko- ja. Lisäksi pohjoiset tundra-alueet kuuluvat täl- lä hetkellä ikiroutavyöhykkeeseen. Ikiroudan mahdollinen sulaminen tulisi, ainakin ensim- mäisinä vuosikymmeninä, huomattavasti lisää- mään maaperän märkyyttä, joka taas luultavasti edistäisi soistumista, ei metsän kasvua ja leviä- mistä (Hugelius ym. 2011). Kaikki yllämainitut tekijät huomioon ottaen on varsin vaikea ennus- taa, kuinka nopeasti ja missä laajuudessa nyt puuttomina olevat alueet voisivat tulevaisuudes- sa olla metsien peitossa. Merkittävät muutokset varsinaisten metsänrajojen liikkeissä vievät kui- tenkin tulevaisuudessakin aikaa – mitä toden- näköisimmin ennemmin vuosisatoja kuin vuo- sikymmeniä.
Lähteet
CARBO-North – Quantifying the carbon budget in North- ern Russia: past, present and future - tutkimushanke:
http://www.carbonorth.net/
Hugelius, G., Virtanen, T., Kaverin, D., Pastukhov, A., Rivkin, F., Marchenko, S. and Romanovsky, V., Kuhry, P. 2011.
High-resolution mapping of ecosystem carbon storage and potential effects of permafrost thaw in periglacial terrain, European Russian Arctic. Journal of Geophysi- cal Research, Biogeosciences 116, art. no. G03024.
Giesecke, T., Bjune, A.E., Chiverrell, R.C., Seppä, H., Oja- la, A.E.K. & Birks, H.J.B. 2008. Exploring Holocene continentality changes in Fennoscandia using pre- sent and past tree distributions. Quaternary Science Reviews 27, 1296–1308.
Kultti, S., Väliranta, M., Sarmaja-Korjonen, K., Solovieva, N., Virtanen, T., Kauppila, T. and Eronen, M. 2003. Pal- aeoecological evidence of changes in vegetation and climate during the Holocene in the pre-Polar Urals, Northeast European Russia. Journal of Quaternary Science 18, 503–520.
Kultti S., Oksanen, P. and Väliranta, M. 2004. Multiproxy record of Holocene environmental change in the Nenets Region, East-European Russian Arctic. Cana- dian Journal of Earth Sciences 41, 1141–1158.
Kultti, S., Mikkola, K., Virtanen, T., Timonen, M. & Eronen, M. 2006. Past changes in the Scots pine forest line and climate in Finnish Lapland: a study based on mega- fossils, lake sediments, and GIS-based vegetation and climate data. The Holocene 16, 381–391.
MacDonald, G.M., Velichko, A.A., Kremenetski, V., Borisova, O.K., Goleva, A.A., Andreev, A.A., Cwynar, L.C., Rid- ing, R.T., Forman, S.L., Edwards, T.W.D., Aravena, R., Hammarlund, D., Szeicz, J.M., and Gattaulin, V.N. 2000.
Holocene treeline history and climate change across northern Eurasia. Quaternary Research 53, 302–311.
Salonen, J., Seppä, H., Väliranta, M., Jones, V., Self, A., Heik- kilä, M. & Kultti, S. 2011. Holocene and lateglacial temperature changes and associated treeline dynam- ics in NE Russia. Quaternary Research 75, 501–511.
Seppä, H., Bjune, A.E., Telford, R., Birks, H.J.B. & Veski, S. 2009.
Last nine-thousand years of temperature variability in Northern Europe. Climate of the Past 5, 523–535.
Tape, K. D., M. Sturm, and C. Racine 2006. The evidence for shrub expansion in Northern Alaska and the Pan- Arctic. Global Change Biology 12, 686–702.
Väliranta, M., Kultti, S. and Seppä, H. 2006. Vegetation dynamics during the Younger Dryas – Holocene transition in the extreme northern taiga zone, north- eastern European Russia. Boreas 35, 202–212.
Väliranta, M., Kaakinen, A., Kuhry, P., Kultti, S., Salonen, S. & Seppä, H. 2010. Scattered late-glacial and early- Holocene tree populations as dispersal nuclei for for- est development in NE European Russia. Journal of Biogeography 38, 922–932.
Virtanen, T., Mikkola, K., Nikula, A., Christensen, J.H., Mazhitova, G.G., Oberman, N.G. & Kuhry, P. 2004.
Modeling the location of forest line in northeast European Russia with remotely sensed vegeta- tion and GIS-based climate and terrain data. Arctic, Antarctic, and Alpine Research 36, 314–322.
Minna Väliranta on yliopistotutkija ja Tarmo Virta- nen yliopistonlehtori Helsingin yliopiston Ympä- ristötieteiden laitoksella.
